I/O 多路复用实现方式

原创于 2025-07-14 13:58:30 发布 · 651 阅读

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I/O 多路复用（I/O Multiplexing）的实现方式

I/O 多路复用是一种 通过单个线程监控多个 I/O 事件（如可读、可写） 的技术，核心目标是 用最少的资源管理大量并发连接。以下是主要的实现方式及其对比：

1. 主要实现方式

(1) `select`

特点

跨平台支持：几乎在所有操作系统（Linux/Windows/macOS）上可用。
基于位图（fd_set）：监听的文件描述符（fd）数量有限（通常 1024）。
线性扫描：每次调用需遍历所有 fd，时间复杂度 O(n)。
触发方式：水平触发（LT，Level-Triggered）。

代码示例（C）

fd_set read_fds;
FD_ZERO(&read_fds);
FD_SET(sockfd, &read_fds);

struct timeval timeout = {5, 0}; // 5秒超时
int ret = select(sockfd + 1, &read_fds, NULL, NULL, &timeout);
if (ret > 0 && FD_ISSET(sockfd, &read_fds)) {
    // 可读事件就绪
}

缺点

效率低（高并发时遍历开销大）。
无法动态扩展 fd 数量。

(2) `poll`

特点

改进 select 的 fd 数量限制：使用链表存储 fd，理论无上限（但性能仍受限制）。
仍为线性扫描：时间复杂度 O(n)。
触发方式：水平触发（LT）。

代码示例（C）

struct pollfd fds[1];
fds[0].fd = sockfd;
fds[0].events = POLLIN; // 监听可读事件

int ret = poll(fds, 1, 5000); // 5秒超时
if (ret > 0 && (fds[0].revents & POLLIN)) {
    // 可读事件就绪
}

缺点

和 select 一样有遍历开销，性能不高。

(3) `epoll`（Linux 专属）

特点

高效事件通知：基于事件回调，仅返回就绪的 fd，时间复杂度 O(1)。
支持高并发：可管理数十万连接。
触发方式：
- 水平触发（LT，默认）：只要 fd 可读/可写，就会重复通知。
- 边缘触发（ET）：仅在状态变化时通知一次（需一次性处理完数据）。
核心函数：
- epoll_create()：创建 epoll 实例。
- epoll_ctl()：注册/修改/删除 fd 监听事件。
- epoll_wait()：等待事件就绪。

代码示例（C）

int epfd = epoll_create1(0);
struct epoll_event ev, events[10];
ev.events = EPOLLIN | EPOLLET; // 监听可读 + 边缘触发
ev.data.fd = sockfd;
epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);

while (1) {
    int n = epoll_wait(epfd, events, 10, 5000); // 5秒超时
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (events[i].data.fd == sockfd) {
            // 处理可读事件（ET 模式需循环 read() 直到 EAGAIN）
        }
    }
}

优点

高性能，适合高并发场景（如 Nginx、Redis）。
支持边缘触发（ET），减少事件重复通知。

缺点

仅限 Linux 系统。

(4) `kqueue`（FreeBSD/macOS 专属）

特点

类似 epoll，但用于 BSD/macOS 系统。
支持更多事件类型（如文件系统事件）。
核心函数：
- kqueue()：创建 kqueue 实例。
- kevent()：注册/等待事件。

代码示例（C）

int kq = kqueue();
struct kevent ev, events[10];
EV_SET(&ev, sockfd, EVFILT_READ, EV_ADD | EV_ENABLE, 0, 0, NULL);
kevent(kq, &ev, 1, NULL, 0, NULL);

while (1) {
    int n = kevent(kq, NULL, 0, events, 10, &(struct timespec){5, 0}); // 5秒超时
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        if (events[i].ident == sockfd) {
            // 处理可读事件
        }
    }
}

优点

高性能，功能比 epoll 更丰富。

缺点

仅限 BSD/macOS。

(5) `IOCP`（Windows 专属）

特点

异步 I/O 模型：与 epoll/kqueue 不同，IOCP 是真正的异步 I/O（非事件驱动）。
核心函数：
- CreateIoCompletionPort()：创建 IOCP 实例。
- GetQueuedCompletionStatus()：获取已完成的操作。

适用场景

Windows 高性能服务器（如 IIS）。

2. 对比总结

实现方式	操作系统	时间复杂度	最大 fd 数量	触发模式	特点
`select`	跨平台	O(n)	1024（默认）	LT	兼容性好，效率低
`poll`	跨平台	O(n)	无硬限制	LT	改进 `select` 的 fd 数量限制
`epoll`	Linux	O(1)	数十万	LT/ET	高性能，边缘触发优化
`kqueue`	FreeBSD/macOS	O(1)	数十万	LT/ET	功能丰富，类似 `epoll`
`IOCP`	Windows	异步回调	无硬限制	完成通知（非事件）	真正的异步 I/O